一种用于增强现实显示的眼镜及其光学组件的制作方法

本发明涉及一种用于增强现实显示的眼镜及其光学组件，具体涉及用于增强现实显示的眼镜型光学方案，可以使眼镜实现为具有与普通矫正眼镜基本一致的外观，适应不同视度人群的使用需求。
背景技术：
：虚拟现实(virtualreality，vr)和增强现实(augmentedreality，ar)的概念提出以来，基于vr或者ar模式的头戴式图像显示装置取得了长足的发展，近年来出现了消费级的产品，诸如samsunggearvr，sonypsvr，epsonbt300，microsofthololens等等，由于这些头戴式显示装置在使用时需要佩戴于观察者头部，因此紧凑和轻量化一直是业内的不懈追求，以减轻观察者的负载，提高可使用性。以色列的lumus公司生产一种轻薄型的阵列光波导被推崇为轻薄型方案的典型，经过设计的多个反射面能够将入射的影像光通过阵列分散达到预定视场角，以得到厚度小于2mm的ar光学元件，但这种光学元件的工作原理对阵列光学反射面的加工精度要求极高，虽然因超薄的设计而广受青睐，但居高不下的成本难以满足大规模生产的要求，同时阵列分光扩大视场角的方式从物理学原理上决定了不引入任何光焦度，需要另外配合投影放大元件方能适应微型显示器的尺寸，而对于大量有视度的使用者，无光焦度的镜片设计无法解决日常佩戴的需求，佩戴使用时的体验并不友好。技术实现要素：本发明提供一种轻薄稳定、可以兼顾视度要求的用于增强现实显示的眼镜及其光学组件，附加微型显示元件形成虚像成像装置，进而作为近眼显示器，通过本发明光学组件中眼镜镜片后表面的面型、曲率可以变化，以实现不同视度用户对透射场景的观测需求。根据本发明的一种用于眼镜型增强现实显示的光学组件，包括：具有可以变换的后表面面型和/或曲率的眼镜镜片；具有透/反分光作用的镜片，该镜片被置于所述眼镜镜片内侧，用以接受来自微型显示器件的图像光并导向所述眼镜镜片的内表面，所述内表面将上述图像光反射后再次经过镜片而投向使用者眼睛；所述眼镜镜片相对使用者眼睛的位置和其内表面面型被预先的设定。进一步的，本发明的光学组件还包括被置于所述镜片之上，靠近图像光来源方向的透镜，透镜可以选自单透镜、双胶合透镜或透镜组。可以变换的后表面面型和/或曲率的变化实现方式选自粘结、替换、电控、气控任一或其组合。对于分光作用的镜片，可以包括偏振或非偏振的方式实现分光，采用镀膜或者非镀膜的工艺实现。透镜和眼镜镜片的内表面，其表面面型可以选自球面、非球面、自由曲面的面型任一种。一种可选的眼镜镜片内表面为凹面，曲率半径30-70mm，但不限于此的，曲率半径40-100mm同样可实现本发明。本发明的光学组件可用于一种增强现实显示的眼镜，眼镜进一步包括用于支撑安装所述光学组件的镜框，以及被置于镜框上的微型显示器件，以减少体积，所述微型显示器可以为oled、lcd、led、lcos、dlp任一类型。作为具体的实施方式之一，微型显示器件相对于所述镜片的距离，或者所述镜片与微型显示器的相对角度可以被调整。作为另外一种方式，在具有透镜的情况下，通过改变透镜的位置，也可以实现不同视度用户对虚拟显示场景的观测需求。根据本发明的技术方案用于实现增强现实显示，可以具有眼镜型的外观，对图像光和环境光均可提供视度，使得用户可以在佩戴一幅眼镜的情况下实现虚拟显示和透射场景的同时清晰的观测，提高了增强现实显示对不同视度用户的普适性，适用于具有视度的使用者，整体结构轻便，与普通矫正视力用眼镜无异，并具有高度客制化的可行性，使图像融合更加准确，佩戴更加时尚和友好。附图说明图1为根据本发明第一实施例0d虚拟显示与透射光线光路图；图2为根据本发明第一实施例-5d对应虚拟显示与透射光线光路图；图3为根据本发明第二实施例0d虚拟显示与透射光线光路图；图4为根据本发明第二实施例-5d对应虚拟显示与透射光线光路图；图5为本发明用于增强现实显示的眼镜示意图。具体实施方式以下对本发明示例性实施例进行详细的描述以解释本发明，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。除非有明确的表示，本领域技术人员应当理解的，所谓前后仅作为相对性描述，不作为实际在前或者在后的绝对性限制，而第一、第二等词汇也应仅理解为区分不同的部件，而不包含顺序的限定性作用，并且，在不同的实施例中，同样被称为第一部分的部件结构也可以是不相同的。第一实施例根据本发明的一种用于增强现实显示的眼镜，其光学组件，如图1、2所示，主要包括具有后表面面型、曲率可变眼镜镜片12，具有透/反分光作用的镜片13，光学透镜14，考虑到眼镜的重量体积等需求，为光学组件提供图像源的通常为微型显示器件15，诸如微型oled、背光型lcd、微型led，dlp等。所述眼镜镜片相对使用者眼睛的位置和其内表面面型可以被预先的设定。在图1所示的本发明的第一实施例中，后表面面型、曲率可变眼镜镜片12的后表面与内表面配合组合成预定的光焦度，使得用户透过眼镜镜片12后能够满足使用者的视度，使使用者透过眼镜镜片12观察外界场景时获得清晰的视野，面型和/或曲率的变化方式不限，任何一种可引起面型或曲率的变化从而引起镜片12光焦度变化的方式均可作为本发明的变化方式，包括但不限于粘结、替换、电控、气控任一或其组合在图1、2所示的本发明第一实施例的透镜14或微型显示器15的位置可以调整，以使不同视力的用户观察虚拟显示时都能获得清晰的显示。两者共同作用产生虚拟显示与真实场景在使用者视觉实现清晰融合显示的效果。如图1、2示例性的示出分别为本发明与不同视度用户匹配的眼镜镜片12与微型显示器15的位置。可选择的透镜14可以实现为单透镜，双胶合透镜或透镜组。如图1、2所示，为本发明第一实施例中图像光显示光路图，来自可变位置处的微型显示器件15的图像光，通过透镜14入射在镜片13上，被反射后入射在眼镜镜片12上，光线经眼镜镜片内表面121反射后透过镜片13进入人眼成像。具体的，镜片13与眼镜镜片12内表面121均具有预定透反分光比的分光层，分光层可依赖镀膜实现，但工艺并不作为限定，例如半反半透膜或者其他透反射比的分光膜，使图像光经过镜片13的分光层、以及内表面121反射分光后能够被尽量有效的反射进入人眼，分光膜的分光比可以根据微型显示器件的发光亮度进行选择，以确保微型显示器件的图像光尽可能被有效利用，并与后续外界环境光的强度达到平衡，以获得良好的增强现实图像对比度。眼镜镜片12与透镜14作为对微型显示器件成像(放大虚像)的主要光学元件，利用眼镜镜片12内表面121与透镜14前后表面面型、曲率，提供预定的光焦度，对微型显示器件上显示的图像进行放大，使微型显示器件的图像光通过系统被放大投远，在人眼处看到的来自微型显示器件的图像看上去像是从离眼睛几米远的地方发出的而不是从很近的地方(该微型显示器件实际所在的位置)发出。镜片13起到折转光路，减小系统厚度和体积的作用，使得系统更加轻便。眼镜镜片12的内表面121，优选的使用球面或者非球面的面型，与普通的视度矫正型眼镜片类似，例如，直径约为70mm，这样的设置可以便于本发明的眼镜片，可以方便的适用于矫正性眼镜片的切割工具，以使其利于适配不同造型的眼镜框；可选的，也可以使用自由曲面的面型。透镜14，优选的选用球面或者非球面的面型，也可以采用自由曲面的面型。所述非球面面型使用如下描述方程：自由曲面面型则可以采用xy多项式的形式进行描述，方程如下：一种使用了非球面和球面面型实现的本发明第一实施例的各光学表面参数可由下表1-1所示：表面标记表面类型半径厚度折射模式alpha倾斜光阑(11)球面无限25折射0121球面-602.5反射0.0013球面无限11反射45°141非球面15.85折射0.00142非球面52.07.3折射0像面(15)球面无限折射0表1-1表面141和表面142表面面型为非球面，各项系数如表1-2所示：表1-2如图1、2为本发明第一实施例分别针对0d视度和-5d视度的光路结构图。如图1所示眼镜镜片12后表面122面型为球面，曲率半径为60mm，与内表面121组合后对透射光的视度为0d。如图2所示眼镜镜片后表面122面型为球面，曲率半径为150mm，与内表面121组合后对透射光的视度为-5d；同时微型显示器件15的位置沿光线方向移动了约2mm以实现虚拟显示图像与外界场景同样的视度。本发明实施例可以通过改变眼镜镜片12后表面122的曲率以满足不同视度人群佩戴时对透射光路和虚拟显示光路能够清晰观测的使用要求。第二实施例如图3、4所示为根据本发明第二实施例，与第一实施例类似的，主要包括具有后表面面型、曲率可变的眼镜镜片32，具有分光作用的反射镜片33，及微型显示器件34。在图3、4所示的本发明的第二实施例中，后表面面型、曲率可变的眼镜镜片32的后表面与内表面配合组合成预定的光焦度，使得用户透过眼镜镜片后能够满足使用者的视度，使使用者透过镜片观察外界场景时获得清晰的视野。在图3、4所示的本发明第二实施例的微型显示器件34的位置可以调整，以使不同视力的用户观察虚拟显示时都能获得清晰的显示。两者共同作用产生虚拟显示与真实场景在使用者视觉实现清晰融合显示的效果。如图3、4所示分别为本发明第二实施例与不同视度用户匹配的眼镜镜片与微型显示器件34的位置。如图3、4所示，为本发明第二实施例中图像光显示光路图，来自可变位置的微型显示器件34的图像光入射在镜片33上被反射后入射眼镜镜片32，光线经眼镜镜片内表面321反射后透过镜片33进入人眼成像。具体的，镜片33与眼镜镜片内表面321均具有预定透反分光比的分光层，例如半反半透膜或者其他透反射比的分光膜，使图像光经过镜片33、内表面321反射分光后能够被尽量有效的反射进入人眼，分光膜的分光比可以根据微型显示器件的发光亮度进行选择，以确保微型显示器件的图像光尽可能被有效利用，并与后续外界环境光的强度达到平衡，以获得良好的增强现实图像对比度。在第二实施例中，与第一实施例不同的，可以仅使用眼镜镜片32作为对微型显示器件成像(放大虚像)的主要光学元件，利用眼镜镜片32内表面的反射，提供预定的光焦度，对微型显示器件上显示的图像进行放大，使微型显示器件的图像光通过系统被放大投远，在人眼处看到的来自微型显示器件的图像看上去像是从离眼睛几米远的地方发出的而不是从很近的地方(该微型显示器件实际所在的位置)发出。镜片33起到折转光路，减小系统厚度和体积的作用，使得系统更加轻便。眼镜镜片32的内表面321，优选的使用球面或者非球面的面型，与普通的视度矫正型眼镜片类似，例如，直径约为70mm，这样的设置可以便于本发明的眼镜片，可以方便的适用于矫正性眼镜片的切割工具，以使其利于适配不同造型的眼镜框；可选的，也可以使用自由曲面的面型。。根据本发明第二实施例的各光学表面参数可由下表2-1所示：表面标记表面类型半径厚度折射模式alpha倾斜光阑(11)球面无限25折射0121球面-502.4反射0.0013球面无限21.0反射45°像面(15)球面无限折射0表2-1如图3、4为本发明第二实施例分别针对0d视度和-5d视度的光路结构图。如图3所示眼镜镜片32后表面322面型为球面，曲率半径为50mm，与内表面321组合后对透射光的视度为0d。如图4所示眼镜镜片后表面322面型为球面，曲率半径为103mm，与内表面321组合后对透射光的视度为-5d；同时微型显示器件34的位置沿光线方向移动了约3.8mm以实现虚拟显示与外界场景同样的视度。综上所述，本发明实施例可以通过改变眼镜镜片32后表面322的曲率以满足不同视度人群佩戴时对透射光路和虚拟显示光路能够清晰观测的使用要求。根据本发明的上述第一、第二实施例，可选择的，使镜片13、镜片33的面积得到有效的控制，可进一步的缩小光学组件整体占据的空间和重量，利于减少其在使用者眼前佩戴时造成的负担，在图1-4中，示意性的将镜片13(33)的下侧外缘大约被置于眼镜镜片的中心线附近，但有效控制镜片面积的方式不限于此。同时，虽然大多数显示场景中设置所有显示内容被呈现于用户大概中心视场的位置，但特定使用场景下，提示性信息在中心视场的出现对用户而言不够友好，根据本发明的光学组件，可以调节镜片的位置和角度以使来自微型显示器件的图像(例如提示性信息图像)被呈现于用户正常视野的上方或下方。本领域技术人员可以理解的，如果使用偏振型的图像光提供元件，例如lcd型微型显示器件，镜片13和镜片33上的分光层可以具备偏振分光的特性，以使其上通过反射而投向眼镜镜片的图像光利用率得到提高，避免分光损失。进一步的，根据本发明的眼镜镜片可以通过任何现有的矫正视度的眼镜片构造工艺而实现，从而任何适用于上述眼镜片构造工艺的功能图层、材料、处理方式等，例如对于有害蓝光的过滤等，可以实现在本发明的眼镜镜片上。根据本发明上述各实施例的光学组件，作为对微型显示器件所显示图像的虚像成像装置，体积和重量都很小，其眼镜镜片可以与普通眼镜片一样改变造型，使整个光学系统具有类似于普通矫正眼镜或者时尚太阳镜的外观。一般而言，轻薄性使得用户能够舒适的佩戴本发明的眼镜式增强现实显示设备，包括在户内和户外，并且无需另外的矫正眼镜。如图5示意性的示出构成为本发明的眼镜式的增强现实显示器示意图，与普通校正眼镜外观无明显区别，容纳和固定、调整微型显示元件、透镜位置的结构可以被设置于从镜框延伸或附接于镜框上，光学组件中的眼镜镜片形成为普通矫正镜片的外观被稳定地置于镜框之中，分光作用的镜片则可利用伸入镜框的任意稳定结构(未图示且无限定)而从边缘被固定。除了实现虚拟场景与真实场景的融合，还可以在眼镜框内置额外的传感器，从而得到各种信息片断以确定什么类型的增强现实图像是恰当的以及它应当被提供在整体图像上的什么地方。深度相机下的环境构建、惯性测量单元以及运动跟踪技术等等，现有技术中的各种相应的传感器和控制器均可构成用于传感本发明上述近眼显示器所需的得到的各项数据，控制器可以是通用的数据处理和控制器件，比如中央处理器cpu或者其他微处理器等，本领域技术人员应当理解的，传感器和与其配套的电路、以及通常安装有中央处理器的主电路板等，按照一般的方式，将其置于镜腿中，会增加眼镜式设备的重量，应当尽量小型化以减小对眼镜佩戴的舒适度降低的作用。而从时尚的角度考虑，轻薄型使得本发明的眼镜式设备同样适合各类装饰型的场合佩戴，例如，希望具有太阳镜之类的防护效果时，可以在辅镜片外侧镀有滤光膜以过滤过强的太阳光或者某种有害光，简单易实施。前面的对本技术的详细描述只是为了说明和描述。它不是为了详尽的解释或将本技术限制在所公开的准确的形式。鉴于上述教导，许多修改和变型都是可能的。所描述的实施例只是为了最好地说明本技术的原理以及其实际应用，从而使精通本技术的其他人在各种实施例中最佳地利用本技术，适合于特定用途的各种修改也是可以的。本技术的范围由所附的权利要求进行定义。当前第1页12